Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển nồng độ ph cho hệ thống tưới nước và phân bón trong nhà kính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN HOÀNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NỒNG ĐỘ pH CHO HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC VÀ PHÂN
BÓN TRONG NHÀ KÍNH
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số : 09390652

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. NGUYỄN TẤN TIẾN
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
TS. NGUYỄN DUY ANH
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
TS. ĐOÀN THẾ THẢO
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM ngày 25 tháng 07 năm 2011.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Nguyễn Tấn Tiến (Chủ tịch)
2. TS. Lê Ngọc Bích (Thư ký)
3. TS. Bùi Trọng Hiếu
4. TS. Đoàn Thế Thảo
5. TS. Phạm Huy Hoàng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
-------------------------------oOo-----------Tp. HCM, ngày 14 tháng 2 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGUYỄN HỒNG

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 04/06/1985

Nơi sinh : Tp Đà Nẵng

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2009
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NỒNG ĐỘ pH CHO HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC VÀ PHÂN BÓN TRONG
NHÀ KÍNH
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-

Nghiên cứu hệ thống tưới nước và phân bón ( hịa tan trong nước) trong các
nhà kính trồng rau.
Thiết kế hệ thống điều khiển pH.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2011
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04/07/2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. NGUYỄN TẤN TIẾN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH


Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

4

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Tiến đã tận tình hướng dẫn, góp
ý và động viên tơi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Bộ mơn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường ĐH Bách
Khoa Tp HCM, phòng Đào tạo sau đại học đã tại điều kiện cho tơi hồn thành đề tài
luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cơ trong bộ mơn Cơ điện tử, khoa

Cơ khí, trường ĐH Bách khoa Tp HCM đã tận tình dạy bảo và trang bị cho tôi
những kiến thức quý báu, xin chân thành cảm ơn các bạn trong nhóm Hi_tech
Mechatroncs Lab và các bạn trong lớp cao học Cơ điện tử K2009 đã nhiệt tình giúp
đỡ tơi trong suốt thời gian khóa học và thực hiện thực nghiệm luận văn này.
Xin nói lên lời biết ơn sâu sắc với ơng bà, cha mẹ đã chăm sóc và ni dạy
tơi nên người. Và chân thành cảm ơn gia đình đã ln ở bên động viên và tạo điều
kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn trong khả năng và phạm
vi cho phép nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận
được sự thơng cảm và lời chỉ bảo tận tình của q thầy cơ.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011
Nguyễn Hồng

HVTH: Nguyễn Hồng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


5

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin xam đoan rằng:
Đây là cơng trình nghiên cứu của tơi, có sự hỗ trợ từ thầy hướng dẫn và
những người tơi đã cảm ơn, trích dẫn trong luận văn này.
Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là hồn tồn trung thực.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011

Nguyễn Hoàng

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

6

MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục.................................................................................................................. 03
Danh mục các bảng ................................................................................................ 07
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................ 08
Lời mở đầu ............................................................................................................ 12
Chương 1: Tổng quan đề tài ................................................................................... 13
1.1 Một số định nghĩa ............................................................................................ 13
1.1.1 pH là gì?........................................................................................................ 13
1.1.2 Hệ thống tưới ............................................................................................... 14
1.2 Tổng quan đề tài nghiên cứu ............................................................................ 16
1.2.1 Thế giới......................................................................................................... 17
1.2.2 Trong nước ................................................................................................... 18
1.2.3 Thảo luận về tổng quan đề tài ........................................................................ 19
1.3 Tính cấp thiết, ý nghĩa, mục tiêu của đề tài....................................................... 19
1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 19
1.3.2 Ý nghĩa của đề tài.......................................................................................... 20

1.3.3 Mục tiêu của đề tài ........................................................................................ 20
Chương 2: Đặt vấn đề ............................................................................................ 21
2.1 Yêu cầu bài toán .............................................................................................. 21

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


7

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

2.1.1 Nồng độ pH yêu cầu cho các loại cây trồng ................................................... 21
2.1.1.1 Ảnh hưởng của pH ..................................................................................... 21
2.1.1.2 Nồng độ pH của một số loại cây trồng ........................................................ 22
2.1.2 Yêu cầu về lưu lượng, thể tích dung dịch tưới ............................................... 22
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ pH của đất ......................................................... 23
2.3 Pha trộn một số loại dung dịch hóa chất để tạo ra các dung dịch có nồng độ pH
mong muốn ..................................................................................................... 23
2.4 Phân bón .......................................................................................................... 24
2.5 u cầu bài tốn thiết kế .................................................................................. 25
Chương 3: Phương án giải quyết bài toán............................................................... 26
3.1 Các phương pháp điều khiển ............................................................................ 26
3.1.1 Các nghiên cứu học thuật .............................................................................. 26
3.1.2 Các phương pháp thực tế ............................................................................... 26
3.1.2.1 Mơ hình A: Batch processing_ Xử lý theo khối, xử lý từng đợt .................. 27
3.1.2.2 Mơ hình B: Continuous with Tank_ Điều khiển liên tục với thùng chứa
.............................................................................................................................. 28
3.1.2.3 Mơ hình C: Continuous, Online Control_ Điều khiển trực tuyến 1 ............. 29

3.1.2.4 Mơ hình D: Continuous, Online Control_ Điều khiển trực tuyến 2 ............. 29
3.1.3 Tham khảo mơ hình sản phẩm trên thị trường ............................................... 30
3.2 Lựa chọn phương án ....................................................................................... 31
3.3 Giải thuật điều khiển ........................................................................................ 33
3.3.1 Xây dựng mơ hình tốn ................................................................................. 33

HVTH: Nguyễn Hồng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


8

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ ............................................................................. 35
3.3.2.1 Xác định biến vào – ra ................................................................................ 35
3.3.2.2 Xác định biến ngôn ngữ ............................................................................. 36
3.3.2.3 Xây dựng các hàm liên thuộc ..................................................................... 36
3.3.2.4 Xây dựng hệ luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ .................................... 39
3.4 Mô phỏng luật điều khiển ................................................................................. 40
3.4.1 Xây dựng mơ hình mơ phỏng ........................................................................ 40
3.4.2 Kết quả mơ phỏng ......................................................................................... 42
Chương 4: Thiết kế hệ thống .................................................................................. 44
4.1 Thiết kế cơ khí ................................................................................................. 44
4.1.1 Tính tốn lưu lượng cần tưới ......................................................................... 45
4.1.2 Tính tốn và lựa chọn bơm ............................................................................ 45
4.1.2.1 Tính tốn và lựa chọn bơm chính ............................................................... 45
4.1.2.2 Tính tốn ống Venturi ................................................................................ 47
4.1.2.3 Lựa chọn bơm phụ ..................................................................................... 50

4.1.2.4 Mơ hình bố trí hệ thống .............................................................................. 50
4.2 Cảm biến pH .................................................................................................... 51
4.2.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến pH .......................................................... 51
4.2.2 Khuếch đại tín hiệu của cảm biến pH ............................................................ 53
4.2.3 Bù nhiệt độ.................................................................................................... 53
4.3 Thiết kế mạch điện điều khiển .......................................................................... 54
4.3.1 Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS485 .................................................................. 54
HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


9

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển .............................................................................. 55
4.3.3 Thiết kế mạch công suất ................................................................................ 56
Chương 5: Thực nghiệm và kết quả ....................................................................... 58
5.1 Hệ thống thực nghiệm ...................................................................................... 58
5.2 Thông số thực nghiệm ...................................................................................... 62
5.3 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 63
5.3.1 Kết quả điều khiển nồng độ pH ..................................................................... 63
5.3.2 So sánh với kết quả mô phỏng bằng Simulink Matlab ................................... 64
5.3.3 Kết quả tại vườn ............................................................................................ 65
Chương 6: Kết luận ................................................................................................ 68
6.1 Ưu nhược điểm của hệ thống............................................................................ 68
6.1.1 Ưu điểm ........................................................................................................ 68
6.1.2 Khuyết điểm .................................................................................................. 68
6.2 Định hướng phát triển đề tài ............................................................................. 68

Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 70
Phụ lục A: Chuyển đổi một số đơn vị đo có sử dụng trong luận văn ....................... 72
Phục lục B: Bảng số liệu một số lần chạy thực nghiệm đã trình bày trong luận văn
.............................................................................................................................. 73

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


10

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Nồng độ pH thích hợp cho một số loại cây trồng .................................. 22
Bảng 2.2 Hỗn hợp đệm của một số hóa chất ........................................................ 23
Bảng 2.3 Tỉ lệ pha trộn Na2HPO4 và Axit Xitric .................................................. 24
Bảng 2.4 Một số hỗn hợp đệm sinh học ............................................................... 24
Bảng 2.5 Ảnh hưởng của một số loại phân bón đến pH của mơi trường............... 25
Bảng 3.1 Bảng hệ luật điều khiển đối với biến Control1 (axit)............................. 39
Bảng 3.2 Bảng hệ luật điều khiển đối với biến Control2 (bazơ) ........................... 40
Bảng 3.3 Bảng hệ luật điều khiển đối với biến Control3 (muối/phân) .................. 40
Bảng 4.1 Giá trị pH sai lệch phụ thuộc nhiệt độ ................................................... 53
Bảng 4.2 Các đặc tính kỹ thuật của RS-485 ......................................................... 54
Bảng 5.1 So sánh kết quả điều khiển nồng độ pH giữa mô phỏng và thực nghiệm ...
............................................................................................................. 65

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


11

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1

Một số giá trị pH phổ biến................................................................... 13

Hình 1.2

Hệ thống tưới tiêu ............................................................................... 14

Hình 1.3

Hình ảnh hệ thống tưới phun 1 ............................................................ 15

Hình 1.4

Hình ảnh hệ thống tưới phun 2 ............................................................ 15

Hình 1.5

Tưới nhỏ giọt ...................................................................................... 16

Hình 1.6

Sơ đồ một hệ thống tưới nhỏ giọt ........................................................ 16

Hình 1.7

Ba dạng đường cong chuẩn độ ............................................................ 17

Hình 3.1

Mơ hình nghiên cứu của McAvoy ....................................................... 26

Hình 3.2

Mơ hình A........................................................................................... 27

Hình 3.3

Mơ hình B ........................................................................................... 28

Hình 3.4

Mơ hình C ........................................................................................... 29

Hình 3.5

Mơ hình D........................................................................................... 30

Hình 3.6

NetaJet PL Family............................................................................... 31

Hình 3.7

NetaJet ST Family............................................................................... 31

Hình 3.8

Sản phẩm của HANNA@Instruments ................................................. 31

Hình 3.9

Sơ đồ nguyên lý của máy xử lý pH...................................................... 32

Hình 3.10 Nguyên lý điều khiển mờ .................................................................... 33
Hình 3.11 Quá trình điều khiển pH ...................................................................... 33
Hình 3.12 Xây dựng các dạng hàm liên thuộc cho biến e_pH .............................. 37
Hình 3.13 Xây dựng các dạng hàm liên thuộc cho biến de_pH ............................ 38

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


12

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

Hình 3.14 Xây dựng các dạng hàm liên thuộc cho biến Control1, Control2 ......... 38
Hình 3.15 Xây dựng các dạng hàm liên thuộc cho biến Control3 ......................... 39
Hình 3.16 Mơ hình mơ phỏng bộ điều khiển mờ bằng Simulink Matlab .............. 41
Hình 3.17 Khối tính tốn H+ ............................................................................... 41

Hình 3.18 Khối chuyển đổi H+ thành pH............................................................. 42
Hình 3.19 Khối Fuzzy Logic Controller............................................................... 42
Hình 3.20 Kết quả mô phỏng độ pH với giá trị mong muốn pH=7 và nồng độ nước
tưới Cw = 10-5.5 mol/l........................................................................... 43
Hình 3.21 Kết quả mơ phỏng độ pH với giá trị mong muốn pH=7 và nồng độ nước
tưới Cw = 10-8 mol/l............................................................................. 43
Hình 4.1

Mơ hình hệ thống các máy bơm và van ............................................... 44

Hình 4.2

Mơ hình minh họa sử dụng ống nhỏ giọt trong hệ thống tưới .............. 45

Hình 4.3

Đồ thị Moody...................................................................................... 47

Hình 4.4

Máy bơm Pentax CM100/00 ............................................................... 47

Hình 4.5

Thơng số ống Venturi.......................................................................... 48

Hình 4.6

Máy bơm phụ ...................................................................................... 50

Hình 4.7

Mơ hình thiết kế hệ thống xử lý pH ..................................................... 51

Hình 4.8

Hệ thống xử lý nước............................................................................ 51

Hình 4.9

Cấu tạo của pH sensor ......................................................................... 52

Hình 4.10 Ví dụ một mạch khuếch đại tín hiệu pH .............................................. 53
Hình 4.11 Chuẩn giao tiếp RS-485 ...................................................................... 55
Hình 4.12 Phần mạch điều khiển IC Master ......................................................... 55

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


13

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

Hình 4.13 Kết nối vi điều khiển với RS-485 ........................................................ 56
Hình 4.14 Giao tiếp máy tính với RS-485 ............................................................ 56
Hình 4.15 Mạch cơng suất ................................................................................... 57
Hình 5.1

Nhà kính tiến hành thực nghiệm .......................................................... 58

Hình 5.2

Mơ hình hệ thống được thiết kế bằng phần mềm Solid Work .............. 58

Hình 5.3

Mơ hình thi cơng thực tế tại Đà Lạt ..................................................... 59

Hình 5.4

Hệ thống ống Venturi .......................................................................... 59

Hình 5.5

Hệ thống van Solenoid ........................................................................ 60

Hình 5.6

Vị trí gắn cảm biến đo pH ................................................................... 60

Hình 5.7

Module khối mạch lấy tín hiệu ............................................................ 61

Hình 5.8

Module khối mạch điều khiển Role và hiển thị giá trị đo ..................... 61

Hình 5.9

Nồng độ pH của dung dịch bazo được kiểm tra bằng máy đo pH ........ 62

Hình 5.10 Nồng độ pH của dung dịch phân được kiểm tra bằng máy đo pH ........ 62
Hình 5.11 Đồ thị pH lần chạy 1 ........................................................................... 63
Hình 5.12 Đồ thị pH lần chạy 2 ........................................................................... 63
Hình 5.13 Đồ thị pH lần chạy 3 ........................................................................... 63
Hình 5.14 Kết quả pH mơ phỏng ......................................................................... 64
Hình 5.15 Kết quả pH thực nghiệm ..................................................................... 64
Hình 5.16 Nồng độ pH=5.9 tại đất trước khi tưới được kiểm tra bằng máy đo pH ...
............................................................................................................ 65
Hình 5.17 Nồng độ pH=6.1 tại đất ngay khi tưới được kiểm tra bằng máy đo pH ....
............................................................................................................ 66
HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


14

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

Hình 5.18 Nồng độ pH=6.0 tại đất 12h sau khi tưới được kiểm tra bằng máy đo pH
............................................................................................................ 66

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

15

LỜI MỞ ĐẦU
Nước ta là một nước phát triển nông nghiệp, hàng năm các sản phẩm nông
nghiệp mang lại cho đất nước một nguồn thu nhập ngoại tệ đáng kể. Tuy nhiên, với yêu
cầu ngày càng cao về chất lượng và vệ sinh an tồn thực phẩm thì sản phẩm nơng
nghiệp phải đáp ứng những yêu cầu rất khắc khe. Điều này buộc nông dân phải cải tiến
phương pháp sản xuất, cải thiện môi trường trồng trọt. Do đó, nhu cầu trồng cây trong
nhà kính là hồn tồn hợp lý.
Bên cạnh đó, việc bón phân và tưới nước theo phương pháp kinh nghiệm, ước
lượng cũng làm cho năng suất, chất lượng sản phẩm kém vì khơng kiểm tra được nồng
độ pH trong nguồn nước. Trong khi nhu cầu điều khiển nồng độ pH trong nguồn nước
và phân tưới và rất cần thiết vì mỗi loại cây trồng tùy thuộc vào điều kiện môi trường,
quá trình phát triển mà sẽ yêu cầu nồng độ pH khác nhau. Đồng thời giá thành đắt và
chế độ bảo trì phức tạp đã làm cho nơng dân ta ngại sử dụng các máy móc nhập ngoại
dù biết lợi ích của nó, trong khi đó, sản phẩm máy móc sản xuất trong nước phục vụ
cho mục đích này hầu như chưa có.
Nội dung luận văn này giới thiệu, thiết kế một mơ hình hệ thống tưới tự động có
khả năng điều chỉnh nồng độ pH. Đề tài thành công sẽ cung cấp cho nông dân một công
cụ để phục vụ sản xuất và gợi mở cho các nghiên cứu khác về vấn đề này.
Kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận văn này cũng cho thấy hệ thống
này hoàn tồn có thể ứng dụng trong thực tế sản xuất.

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1 Một số định nghĩa:
1.1 .1 pH là gì?
pH là chỉ số đo độ hoạt động của các ion hiđrô (H+) của một dung dịch, cho nên
chỉ số pH thể hiện tính axit hay bazo của dung dịch đó. Số đo pH được tính dựa trên độ
hoạt động của các ion H+ trong dung dịch. Cơng thức tính:

 

pH   log10 H 

[H+] biểu thị độ hoạt động của các ion hiđrô H+. Đơn vị mol/l
Log10 biểu thị logarit cơ số 10, vì vậy nên pH cịn có thể được định nghĩa là
thang đo logarit của tính axit.

Hình 1.1 Một số giá trị pH phổ biến
Bên cạnh đó, hằng số điện ly cũng là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến độ pH
của dung dịch, chính vì hằng số điện ly này nên một dung dịch được gọi là trung hòa
(độ hoạt động của các ion H+ cân bằng với độ hoạt động của các ion OH- hay [H+] =

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến

17

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

[OH-]) khi có chỉ số pH xấp xỉ bằng 7 ( H    107 ). Các dung dịch nước có giá trị pH
nhỏ hơn 7 ( H    10 7 ) được coi có tính axit, trong khi các dung dịch có giá trị pH lớn
hơn 7 ( H    10 7 ) được coi có tính kiềm. Trị số pH càng lớn thì tính kiềm của dung
dịch càng cao.
1.1.2 Hệ thống tưới
Tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt để đảm bảo cây
trồng sinh trưởng, phát triển bình thường. Vì vậy hệ thống tưới là một bộ phận quan
trọng không thể thiếu, cần phải lưu tâm trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển nhà
kính.
Hiện nay, việc tưới nước và bón phân của nông dân Việt Nam chủ yếu vẫn bằng
tay, theo cảm tính và kinh nghiệm. Phương pháp này hiệu quả không cao, không đảm
bảo được những yêu cầu kỹ thuật khắt khe như lượng nước tưới, chất lượng nước,
lượng phân bón cũng như nồng độ pH theo yêu cầu của cây trồng… Vì vậy việc cài đặt
hệ thống tưới nước và phân bón tự động sẽ rất thuận tiện để phát triển cây trồng. Hệ
thống tưới này phải kết hợp với hệ thống trộn phân dạng lỏng và hệ thống điều chỉnh
pH tự động nhằm cung cấp lượng phân bón cần thiết và nồng độ pH.

Hình 1.2 Hệ thống tưới tiêu [27]
Trên thế giới hiện nay sử dụng nhiều hệ thống tưới khác nhau trong điều khiển
hệ thống nhà kính cũng như ở ngồi trời, nổi bật lên là 2 hệ thống tưới nhỏ giọt và tưới

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến

18

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

phun. Tưới phun đáp ứng tốt yêu cầu sinh lý của cây trồng về nước cũng như lớp đất có
bộ rễ cây hoạt động, bề mặt lá đều được tưới và làm sạch bụi bẩn trên lá, tuy nhiên hệ
thống tưới phun thường sử dụng lượng nước rất lớn. Hệ thống tưới nhỏ giọt cung cấp
nước và tạo độ ẩm cho vùng rễ cây, hệ thống này tiết kiệm nước tối đa và cung cấp
nước vừa đủ cho cây trồng phát triển, không gây thối hóa đất, khơng gây ơ nhiễm mơi
trường, tiết kiệm phân bón, cung cấp chuẩn xác độ ẩm, tạo điều kiện tốt nhất cho cây
trồng phát triển, hạn chế sâu bệnh, thuận lợi cho việc điều khiển thiết bị tưới.

Hình 1.3 Hình ảnh hệ thống tưới phun 1

Hình 1.4 Hình ảnh hệ thống tưới phun 2

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


19

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

Hình 1.5 Tưới nhỏ giọt

Hình 1.6 Sơ đồ một hệ thống tưới nhỏ giọt [20]
Trong các hệ thống tưới hiện đại ngày nay, cho dù sử dụng kiểu tưới nhỏ giọt,
tưới phun mưa hay phun sương thì trong các hệ thống tưới này ln kết hợp với một hệ

thống pha trộn phân và điều chỉnh nồng độ pH nhằm đảm bảo đầu ra của hệ thống tưới
luôn là dung dịch đạt được độ pH mong muốn phù hợp với cây trồng và thời kỳ phát
triển của cây.
1.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Điều kiện về nồng độ pH trong nước tưới, trong phân bón cùng với các điều kiện
về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, CO2 là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến quá trình
sinh trưởng phát triển của cây trồng, hiệu quả và năng suất của mùa vụ. Chính vì vậy

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

20

điều khiển ổn định nồng độ pH trong nước tưới, trong phân luôn là một vấn đề cần phải
quan tâm khi thiết kế hệ thống điều khiển cho nhà kính.
Điều khiển nồng độ pH thực sự là một vấn đề điều khiển khó bởi vì đặc tính biến
đổi phi tuyến của nó và nồng độ pH hết sức nhạy cảm với nhiễu trong quá trình điều
khiển, chỉ một lượng tác động nhỏ của các yếu tố điều khiển cũng có thể làm cho độ pH
thay đổi một lượng lớn. Tính phi tuyến đó được thể hiện qua đường cong chuẩn độ
(hình 1.8). Dựa vào đường đặc tuyến này, ta có thể nhìn thấy rõ đường cong đồ thị tại
điểm pH=7 có độ dốc rất lớn, cho nên để điều khiển ổn định được nồng độ pH=7 là rất
khó, chỉ cần một lượng thay đổi nhỏ của hóa chất cũng có thể gây nên sự biến đổi lớn
của nồng độ pH.

(a)

(b)

(c)

Lượng hóa chất

Hình 1.7 Ba dạng đường cong chuẩn độ [11].
(a)
Hệ thống với Axit mạnh- bazo mạnh
(b)
Hệ thống với Axit yếu- bazo mạnh
(c)
Hệ thống với Axit mạnh, axit yếu- bazo mạnh
1.2.1 Thế giới
Vấn đề điều khiển ổn định độ pH đã được nghiên cứu và liên tục phát triển trong
những năm gần đây. Tuy nhiên tài liệu nghiên cứu về việc điều khiển nồng độ pH cho
hệ thống tưới nước, tưới phân hầu như rất ít vì nó chủ yếu được xây dựng và phát triển
trong nội bộ các công ty về thiết bị nông nghiệp, các tài liệu về việc nghiên cứu thiết kế

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


21

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

hệ thống này luôn được bảo mật. Hầu như chưa có tài liệu, bài báo khoa học nào báo
cáo cụ thể về hệ thống điều khiển ổn định độ pH của nước tưới, phân tưới trong hệ

thống nhà kính.
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới giải quyết vấn
đề này, tuy nhiên các tài liệu nghiên cứu, bài báo khoa học đều được viết cho hệ thống
điều khiển sử dụng các bồn chứa các dung dịch axit, bazo để tạo ra dung dịch có độ pH
mong muốn chứ không sử dụng các bồn chứa phân cho hệ thống tưới.
Đã có nhiều mơ hình, nhiều phương pháp khác nhau được đưa ra để nghiên cứu
vấn đề này. Ứng với từng mơ hình và phương pháp đó, các nhà nghiên cứu đã áp dụng
các thuật toán điều khiển khác nhau, tạo ra nhiều bộ điều khiển khác nhau nhằm tìm ra
những bộ điều khiển tốt nhất.
Rất nhiều các nghiên cứu sử dụng mơ hình hệ thống có thùng chứa hoặc thùng
khuấy để thiết kế các bộ điều khiển, ổn định nồng độ pH. Trong đó, một số bộ điều
khiển phi tuyến sử dụng mơ hình theo lối kinh nghiệm của McAvoy và các đồng nghiệp
[1], một số khác lại sử dụng bộ điều khiển Adaptive như [2]. Sự kết hợp giữa lý thuyết
điều khiển Adaptive và các lý thuyết điều khiển Fuzzy làm tăng khả năng thích ứng của
hệ thống [3]. Hay là việc ứng dụng lý thuyết điều khiển H_inf dựa trên các mơ hình phi
tuyến trước đó để giải quyết bài toán điều khiển pH đối với hệ thống acid mạnh_ bazo
mạnh [4].
Giải thuật di truyền cũng được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển, nó có thể được
sử dụng theo lối thông thường [7] hay sử dụng Neutral Network điều khiển pH và sự
kết hợp tiếp sau đó của mơ hình Nơ ron trong một chiến lược điều khiển dự đoán [8].
Một số nghiên cứu ứng dụng mơ hình điều khiển độ pH trực tuyến cũng đã được
thực hiện trong [5], [6].
1.2.2 Trong nước
Hiện nay, nghiên cứu điều khiển ổn định nồng độ pH là một vấn đề rất ít được
đề cập trong nhiên cứu khoa học của nước ta. Đặc biệt là điều khiển pH cho hệ thống
tưới trong nhà kính thì càng rất hiếm.
Lý do có thể là do điều khiển hệ thống nhà kính chưa được quan tâm đúng mức
ở nước ta, và một phần cũng vì các bộ điều khiển được nhập từ nước ngồi có chất

HVTH: Nguyễn Hồng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


22

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

lượng tốt, đáp ứng được yêu cầu của vấn đề điều khiển. Các tài liệu về vấn đề này ở
nước ta thật sự là rất hiếm.
1.2.3 Thảo luận về tổng quan đề tài
Điều khiển ổn định nồng độ pH luôn là một đề tài khó cho các bài tốn về điều
khiển vì tính phi tuyến của nó và khả năng rất nhạy cảm với nhiễu. Hiện nay trên thế
giới đã nhiều mơ hình điều khiển được sử dụng và nhiều thuật toán, nhiều lý thuyết điều
khiển được đưa ra nhằm tạo ra bộ điều khiển tốt nhất. Đã có nghiên cứu sử dụng các mơ
hình thực nghiệm và cho kết quả tốt. Điều này có giá trị tham khảo rất lớn đối với các
nghiên cứu sau này.
Các nghiên cứu chủ yếu được thực hiện đối việc pha trộn với các dung dịch axit,
bazơ. Còn việc điều khiển ổn định pH cho hệ thống tưới nước, tưới phân trong điều
khiển hệ thống nhà kính thì có rất ít tài liệu nghiên cứu đề cập đến. Trên thị trường thực
tế, một số công ty sản xuất máy móc, thiết bị nơng nghiệp cũng đã chủ trọng đến vấn đề
này và cũng đã bán ra các sản phẩm liên quan. Tuy nhiên vấn đề này có thế được xem
là tài liệu bí mật, bản quyền của các công ty nên các tài liệu cho nghiên cứu vấn đề tại
chỉ tồn tại trong nội bộ các công ty và khơng được đưa ra bên ngồi.
Thêm nữa, các nghiên cứu điều khiển pH hầu hết đều sử dụng các bồn chứa, bồn
khuấy trung gian. Vì vậy, sử dụng mơ hình điều khiển trực tuyến khơng có bồn chứa
trung gian cũng sẽ là một vấn đề nghiên cứu mới cần quan tâm.
1.3 Tính cấp thiết, ý nghĩa, mục tiêu của đề tài
1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài
Nồng độ pH là một trong các yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển và năng

suất cây trồng. Độ pH ảnh hưởng đến khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây.
Phản ứng đất ảnh hưởng trực tiếp đến hệ vi sinh vật trong đất và hoạt động của chúng.
Ngoài ra, độ pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến sự hấp thu chất khoáng của rễ
cây, ảnh hưởng đến độ hòa tan và khả năng di động của các chất khống. Độ pH rất
quan trọng vì chỉ trong khoảng trung tính thì các ngun tố mới dễ tan trong đất để cây
hấp thụ. Do đó, việc điều khiển để đảm bảo được nồng độ pH thích hợp cho cây trồng
là điều kiện qua trọng để có một mùa vụ thành công.
Tưới nước đúng, tưới đủ theo yêu cầu sẽ giúp hạn chế sâu bệnh, giúp cây phát
triển tốt hơn. Tuy nhiên nguồn nước tưới tự nhiên không phải lúc nào cũng đạt được độ

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

23

pH mà cây trồng mong muốn, cho nên việc điều khiển ổn định nồng độ pH cho cây
trồng cũng phải được thực hiện đối với nguồn nước tưới.
Các sản phẩm nông nghiệp phải đặc biệt tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về
lượng chất độc hại có trên sản phẩm. Hàm lượng các chất độc hại này chủ yếu được
quyết định bởi lượng thuốc trừ sâu, phân bón được sử dụng trong q trình trồng trọt.
Bón phân dư thừa cũng sẽ gây ảnh hưởng đến nồng độ pH trong đất và làm chất lượng
đất xấu đi. Vì vậy nhu cầu điều chỉnh ổn định nồng độ pH trong hệ thống tưới có khả
năng pha trộn phân bón theo tỉ lệ yêu cầu và đảm bảo được nồng độ pH là rất cần thiết,
nhằm nâng cao năng suất cây trồng và chất lượng sản phẩm.
1.3.2 Ý nghĩa của đề tài
Phần lớn nông dân Việt Nam trồng trọt và sản xuất mùa vụ theo lối kinh nghiệm

và ước lượng, ngại sử dụng máy móc thiết bị hỗ trợ hiện đại, dẫn đến năng suất mùa vụ
thấp, chất lượng sản phẩm không cao, không đủ tiêu chuẩn xuất khẩu. Đề tài thành
công sẽ mang đến cho người nơng dân một lựa chọn hữu ích để phát triển sản xuất,
nâng cao chất lượng sản phẩm, cải thiện đời sống.
Các thiết bị nhập từ nước ngoài hoạt động ổn định, đảm bảo yêu cầu của người
sử dụng, tuy nhiên, các bộ điều khiển mua từ các nhà sản xuất nước ngồi thường có
giá thành đắt và mang tính đồng bộ, cục bộ, bản quyền, thường được bán theo trọn gói
hệ thống. Điều này gây khó khăn, bất lợi cho người mua khi chỉ có nhu cầu một bộ
phận nhỏ hoặc thay thế, sửa chữa. Nếu đề tài này nghiên cứu thành cơng thì sẽ cung cấp
cho nơng dân hệ thống điều khiển với giá thành rẻ hơn, dễ sử dụng và sửa chữa hơn.
Đồng thời giúp cho người nông dân xóa bỏ dần tâm lý ngại sử dụng máy móc hiện đại,
mạnh dạn đầu tư khoa học kỹ thuật vào sản xuất, tăng năng xuất, đảm bảo chất lượng
cây trồng.
Sự thành công của đề tài kết hợp với các cơng trình nghiên cứu điều khiển nhà
kính khác, nhằm hướng đến xây dựng một hệ thống điều khiển nhà kính hồn thiện đầy
đủ các chức năng chứ khơng chỉ dừng lại ở việc điều khiển ổn định nồng độ pH cho hệ
thống tưới.
1.3.3 Mục tiêu của đề tài
-

Xây dựng giải thuật điều khiển nồng độ pH.

-

Thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển ổn định nồng độ pH.

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến

Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

24

CHƯƠNG 2: ĐẶT VẤN ĐỀ
2.1 u cầu của bài tốn
Ở các vùng nơng thơn Việt Nam, tùy thuộc vào hoàn cảnh địa lý, điều kiện mơi
trường mà ứng với từng vùng thì tính chất của nước lại khác nhau, tỉ lệ giữa các khoáng
chất và các ion kim loại trong nước cũng không giống nhau. Điều kiện về thời tiết cũng
như tính chất của đất cũng là những thành tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng,
nồng độ pH trong nước tưới.
Mỗi loại cây trồng lại yêu cầu một tỉ lệ dinh dưỡng khác nhau, dẫn đến việc sử
dụng phân bón khác nhau. Mỗi loại phân bón tùy thuộc vào tỉ lệ của các thành phần ion
có trong nó mà nồng độ pH sẽ khác nhau. Khi pha trộn các loại phân này, các yếu tố
hóa học trong hỗn hợp có thể phản ứng với nhau làm thay đổi nồng độ pH.
Vì vậy yêu cầu của bài toán là sử dụng một số loại hóa chất nhất định để làm cho
nước tưới có nồng độ pH ở mức trung hòa, đồng thời sử dụng các loại phân thích hợp
để pha trộn với nhau nhằm cung cấp cho cây trồng lượng phân theo yêu cầu với tỉ lệ các
chất dinh dưỡng hợp lí và nồng độ pH trong phạm vi cho phép.
2.1.1 Nồng độ pH yêu cầu cho loại cây trồng
2.1.1.1 Ảnh hưởng của pH
Độ pH của đất là tiêu chí để xác định tính axit (độ pH nhỏ hơn 7) và tính bazơ
(độ pH lớn hơn 7) của đất trồng, độ pH = 7 là thích hợp nhất, đây là độ pH phù hợp với
hầu hết các loại cây trồng. Yếu tố acid hay kiềm rất quan trọng vì chỉ trong khoảng
trung tính thì các nguyên tố mới dễ tan trong đất để cây hấp thụ.
Độ pH ảnh hưởng đến khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây. Phản ứng đất
ảnh hưởng trực tiếp đến hệ vi sinh vật trong đất và hoạt động của chúng, quan hệ chặt
chẽ với sự phân giải xác hữu cơ và sự chuyển hóa các chất như đạm trong đất.
Độ pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến sự hấp thu chất khoáng của rễ cây,

lên sự hút khống của rễ có thể là trực tiếp hoặc cũng có thể là gián tiếp. Độ pH của
mơi trường ảnh hưởng đến sự xâm nhập ưu thế anion hay cation. Trong môi trường
kiềm việc hút cation mạnh hơn anion, cịn trong mơi trường acid thì ngược lại.

HVTH: Nguyễn Hoàng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến


Luận văn Cao học Cơ Điện Tử

25

Độ pH còn ảnh hưởng đến độ hòa tan và khả năng di động của các chất khống
và do đó ảnh hưởng đến khả năng hút khống của rễ. Khi độ pH của mơi trường vượt
quá giới hạn sinh lý (quá kiềm hay quá acid) thì mơ rễ đặc biệt là lơng hút bị thương tổn
và sự hút khoáng bị ức chế.
Nồng độ cũng pH có ảnh hưởng đến hoạt động của các vi sinh vật trong môi
trường, điều này cũng gây ra ảnh hưởng đến việc cung cấp dinh dưỡng cho cây.
2.1.1.2 Nồng độ pH của một số loại cây trồng
Loại cây trồng

Độ pH thích
hợp

Loại cây trồng

Độ pH
thích hợp

Lúa

5,5 – 6,5

Đỗ tương

6–7

Thuốc lá

5,5 – 7,5

Cà phê

5–6

Bí ngơ

5,5 – 7,5

Chuối

6 – 6,5

Đỗ xanh

6–7

Khoai lang

5–6

Đay

6,5 – 7,5

Dứa

Cải bắp

6,5 – 7,5

Cà rốt

4,5 – 6,5
5,5 – 7

Khoai tây

5 – 5,5

Cà chua

6,3 – 6,7

Bông

5–7

Chè

4,5 – 5,5

6,4 – 7

Dâu

6–8

Dưa chuột
Ngơ

6 – 7,2

Lạc

5,5 – 6,5

Mía

6–8

Nho

6–8

Xà lách

6 – 6,5

Củ cải

6 -8

Bảng 2.1 Nồng độ pH thích hợp cho một số loại cây trồng
Phạm vi thích ứng của pH đất đối với các loại thực vật rất rộng nhưng cũng có
một số yêu cầu chặt chẽ: chúng chỉ sinh trưởng và phát triển tốt ở loại đất có phản ứng
nhất định. Chính vì vậy có thể điều chỉnh độ pH sao cho phù hợp với loại cây mà mình
trồng.
Đa số các loại cây trong nơng nghiệp thích hợp phát triển với u cầu nồng độ
trong các loại đất nông nghiệp nằm trong khoảng 5 – 9.
2.1.2 Yêu cầu về lưu lượng, thể tích dung dịch tưới

HVTH: Nguyễn Hồng

GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến